Разработка научно-технических основ совершенствования систем снабжения биогазом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Суслов Денис Юрьевич

• Суслов Денис Юрьевич
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Суслов Денис Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОГАЗА

1.1. Современное состояние систем газоснабжения населенных пунктов Российской Федерации

1.2. Основные свойства и характеристики процесса образования биогаза

1.3. Современные методы и оборудование для выработки биогаза

1.4. Тенденции развития систем снабжения биогазом

1.5. Выводы

2. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА

2.1. Теоретическое описание процесса образования биогаза

2.2. Экспериментальные исследования влияния технологических параметров на эффективность производства биогаза

2.2.1. Разработка экспериментальной установки

2.2.2. Методики измерений, приборы и оценка достоверности

полученных результатов

2.2.3. Математическое моделирование и матричное

планирование многофакторного эксперимента

2.2.4. Результаты многофакторного эксперимента

2.3. Экспериментальные исследования производства биогаза из высокоэффективных субстратов

2.4. Выводы

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА

3.1. Разработка метантенка производства биогаза

3.2. Теоретическое описание процесса барботажного перемешивания

3.3. Моделирование барботажного перемешивания биомассы в метантенке

3.4. Экспериментальные исследования процесса барботажного перемешивания в метантенке

3.5. Выводы

4. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ СНАБЖЕНИЯ БИОМЕТАНОМ

4.1. Теоретическое обоснование применения биометана в системах газоснабжения

4.2. Разработка математической модели централизованной системы снабжения биометаном

4.3. Определение оптимальных параметров централизованных систем снабжения биометаном

4.4. Моделирование и определение оптимального расположения биометановой установки и станции подачи биометана в системы газоснабжения

4.5. Выводы

5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННЫХ СИСТЕМ СНАБЖЕНИЯ БИОМЕТАНОМ И БИОГАЗОМ

5.1. Моделирование и определение оптимальных параметров децентрализованных систем снабжения биометаном

5.2. Моделирование и определение оптимальных параметров децентрализованных систем снабжения биогазом

5.3. Разработка математической модели выбора децентрализованной системы снабжения биометаном и биогазом

5.4. Гидравлический расчет систем снабжения биогазом

5.5. Разработка практических рекомендаций применения биометана и биогаза для газоснабжения населенных пунктов

5.6. Выводы

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ БИОГАЗА В ИНЖЕКЦИОННЫХ ГАЗОГОРЕЛОЧНЫХ УСТРОЙСТВАХ

6.1. Основы теории горения газообразного топлива и анализ конструкций газогорелочных устройств

6.2. Разработка инжекционной горелки и теоретическое описание процесса сжигания биогаза

6.3. Моделирование процесса горения биогаза в инжекционной горелке со стабилизатором пламени

6.4. Экспериментальные исследования сжигания биогаза в инжекционной горелке со стабилизатором пламени

6.5. Выводы

7. ВНЕДРЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

7.1. Методика инженерного расчета конструктивно-технологических параметров метантенка

7.2. Методика расчета централизованной системы снабжения биометаном

7.3. Разработка программного комплекса гидравлического расчета трубопроводов биометана и биогаза

7.4. Методика расчета инжекционной горелки для сжигания биогаза

7.5. Выводы

8. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

8.1 Расчет экономической эффективности внедрения систем производства биогаза

8.2. Расчет экономической эффективности внедрения систем потребления биогаза

8.3. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А. Акт о внедрении результатов диссертационной

работы в учебный процесс БГТУ им. В.Г.Шухова

Приложение Б. Акт о внедрении результатов диссертационной

работы в ООО «Энергоэффект»

Приложение В. Акт внедрения результатов диссертационной работы

в ООО «ФЕНИКС31»

Приложение Г. Акт внедрения результатов диссертационной работы

в ООО «ВИД»

Приложение Д. Акт технического внедрения результатов

диссертационных исследований в ООО «ТК» Экотранс»

Приложение Е. Объекты интеллектуальной собственности

Приложение Ж. Номограммы для расчета трубопроводов биогаза

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка научно-технических основ совершенствования систем снабжения биогазом»

Актуальность темы исследования.

Газовая промышленность является одной из важнейших частей экономики Российской Федерации, от надежной работы которой зависит развитие страны в целом. В настоящее время уровень газификации Российской Федерации природным газом составляет 71,4%. Газификация городов составляет - 73,7%, а сельской местности - 64,8%. При этом приоритетной программой развития системы газоснабжения является использование альтернативных энергоносителей: сжиженного природного газа (СПГ), компримированного природного газа (КПГ) и сжиженного углеводородного газа (СУГ). Одним из перспективных направлений развития систем газоснабжения, получившим широкое применение в странах Европы и Северной Америки, является использование биогаза. Биогаз образуется в результате анаэробной ферментации органических веществ и состоит в основном из метана (55-70%) и двуокиси углерода (30-45%). Для выработки биогаза, как правило, применяются метантенки с механическими системами перемешивания биомассы, при работе которых не достигается полное и эффективное перемешивание всего объема метантенка, вследствие чего наблюдается не полное извлечение газообразного топлива из органических веществ. Важным резервом повышения эффективности работы биогазовых установок является интенсификация процесса анаэробной ферментации барботажным перемешиванием, позволяющим максимально использовать потенциальную энергию биомассы.

Следовательно, исследование процесса получения биогаза и разработка метантенка с барботажным перемешиванием позволяет повысить эффективность систем выработки биогаза. Кроме того, на эффективность работы биогазовых установок значительное влияние оказывает состав и свойства исходного субстрата. В зарубежной практике широкое распространение в качестве субстрата получили отходы сельскохозяйственных предприятий и энергетические растения. Для регионов Российской Федерации, обладающих развитым

сельскохозяйственным сектором экономики, наиболее эффективным видится использование в качестве исходного субстрата органических отходов животноводческих и птицеводческих комплексов, а также отходов мясоперерабатывающей промышленности, обладающих высоким энергетическим потенциалом. Это требует проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса образования биогаза из высокоэффективных субстратов.

Использование биогаза в системах газоснабжения развивается по двум направлениям: в децентрализованных системах, в которых происходит прямое сжигание биогаза и в централизованных системах газоснабжения, в которых биогаз очищается до состава природного газа и уже в качестве биометана подается в газовые сети. Основной проблемой использования биогаза в децентрализованных системах является организация эффективного и безопасного сжигания биогаза, что требует разработки научных основ процесса горения биогаза и разработки конструкции газогорелочного оборудования.

Ключевыми задачами при использовании биометана в централизованных системах газоснабжения являются вопросы эффективного производства биометана, рационального размещения биометановых установок с учетом производственной мощности и расположения предприятий - источников субстрата, проектирование и увязка газопроводов биометана в схемы газоснабжения населенных пунктов с учетом плотности населения и газопотребления.

В связи с этим, развитие систем газоснабжения за счет применения биогаза и биометана приобретает важное значение и является резервом повышения эффективности всей газовой отрасли Российской Федерации.

Степень разработанности темы. Большой вклад в развитие систем газоснабжения внесли отечественные ученые: Ионин И.И., Скафтымов Н.А., Стаскевич Н.Л., Фастов Л.М., Шурайц А.Л., Осипова Н.Н., Медведева О.Н., Жила В.А., Брюханов О.Н. и многие другие. Однако, данные работы в основном посвящены исследованию и разработке систем газоснабжения природным газом,

сжиженным углеводородным и сжиженным природным газами без использования биогаза.

Исследованием процесса получения биогаза занимались отечественные и зарубежные ученые: Вавилин В.А., Виестур У.Э., Гюнтер Л.И., Друзьянова В.П., Дубровский В.С., Заварзин Г.А., Калюжный С.В., Ковалев А.А., Панцхава Е.С., Сидыганов Ю. Н., Angelidaki I., Baader W., Batstone D. J., Buswell A.M., Chen Y.R., Contois D.E., Dohne E., Hashimoto A G., Hill D.T. и многие другие.

Изучением процесса сжигания биогаза и совершенствованию газогорелочных устройств посвящены работы Коминой Г.П., Мариненко Е.Е., Яковлева В.А., Сигала И.Я., Fulford D., Anggono W., Ilbas M. и других ученых.

Вопросам использования биогаза и биометана в системах газоснабжения занимаются в основном зарубежные ученые: Cucchiella F., D'Adamo I., Fubara T., Murphy J. D., Paturska A., Repele M., Bazbauers G., Weidenaar T. D. и многие другие, работы которых посвящены, как правило, применению биометана в газовых сетях своей страны.

Эффективное применение биогаза и биометана в системах газоснабжения требует комплексной и системной проработки научно обоснованных технологических и технико-экономических параметров систем снабжения биогазом.

Следовательно, актуальным является разработка научно-технических основ совершенствования систем газоснабжения за счет применения биогаза.

Работа выполнена в соответствии с «Энергетической стратегией Российской Федерации на период до 2035 года», в рамках Гранта Президента НШ-25.2022.4, Стипендии Президента СП-180.2019.1, Гранта РФФИ 18-38-00351, Стипендии Президента СП-1716.2015.1, Гранта РФФИ 14-48-08039.

Цель работы. Разработка научно-технических положений, методов расчета и проектирования комплекса систем выработки, распределения и потребления биогаза.

Достижение этой цели осуществляется путем решения комплекса задач:

- на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса получения биогаза определить зависимости выхода биогаза и содержания метана от продолжительности ферментации высокоэффективных субстратов в мезофильном температурном режиме;

- по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработать основы проектирования систем выработки биогаза на примере метантенка с барботажным перемешиванием биомассы и определить их конструктивно-технологические параметры;

- на основе моделирования централизованных и децентрализованных систем снабжения биогаза и биометана выявить зависимости для расчета технологических параметров от плотности субстратообразования и плотности населения;

- на основе теории параметрической оптимизации разработать математическую модель оптимального расположения биометановой установки и станции подачи биометана в газовую сеть на территории муниципального округа;

- на основе моделирования децентрализованных систем снабжения разработать принципы выбора вида топлива для газоснабжения населенных пунктов, удаленных от магистральных газопроводов: сетевым природным газом, биогазом и биометаном;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований процесса горения биогаза выявить закономерности изменения температуры газовоздушной смеси при сжигании биогаза и разработать конструкции инжекционных горелок для эффективного использовании биогаза различного состава;

- разработать методики расчета и проектирования систем выработки, распределения и потребления биогаза и биометана, на примере метантенка с барботажным перемешиванием, системы снабжения биометаном и горелки для сжигания биогаза;

- определить экономическую эффективность внедрения систем выработки, распределения и потребления биогаза и биометана на примере биометановой установки и инжекционной горелки для сжигания биогаза.

Научная новизна

1. Разработано, теоретически и экспериментально обосновано научное направление совершенствования систем газоснабжения населенных пунктов за счет эффективного применения альтернативного источника энергии биогаза.

2. Создана методология разработки и проектирования высокоэффективных и экономичных систем выработки, распределения и потребления биогаза, основанная на новых зависимостях и закономерностях, полученных в результате теоретических, численных и экспериментальных исследований.

3. В результате теоретических и экспериментальных исследований выявлены закономерности изменения выхода биогаза и содержания метана от продолжительности ферментации высокоэффективных субстратов. Установлены значения рациональной продолжительности ферментации и параметра предельного выхода биогаза из единицы органического вещества для разных видов субстрата. Получена зависимость удельного выхода биогаза от частоты перемешивания и температуры биомассы в метантенке, при этом выявлено, что рост удельного выхода биогаза ограничивается с увеличением частоты перемешивания.

4. В результате теоретических исследований процесса барботажного перемешивания биомассы в метантенке, выявлены зависимости диаметра и скорости движения пузырей биогаза, длины и коэффициента местного сопротивления барботажного трубопровода, выполненного в форме спирали от размеров метантенка на примере разработанной конструкции (патент №144613).

5. В результате численного моделирования барботажного перемешивания биомассы выявлена закономерность изменения осевой скорости биомассы по сечению метантенка, на основе которой получены зависимости расхода восходящего и нисходящего потоков биомассы, а также продолжительности

одного цикла барботажного перемешивания. Полученная экспериментальная зависимость скорости пузырей биогаза при барботажном перемешивании позволила выявить закономерность изменения скорости пузырей биогаза при увеличении давления биогаза и влажности биомассы для определения необходимых давления и интенсивности перемешивания биомассы.

6. Разработаны математические модели централизованных и децентрализованных систем снабжения биогазом и биометаном, основанные на решении оптимизационных задач из условия минимизации приведенных затрат в систему газоснабжения с учетом территориальной плотности распределения субстрата и газопотребления. Впервые определены зависимости оптимального радиуса действия биогазовой и биометановой установок и протяженности газопровода подачи биометана в зависимости от плотности населения и плотности распределения субстрата для всех регионов РФ.

7. На основе параметрической оптимизации разработана математическая модель оптимального расположения биометановой установки и станции подачи биометана в газовую сеть на территории муниципального округа, учитывающая производительность и расположение предприятий-источников субстрата и централизованной газовой сети, что позволяет установить точные координаты расположения исследуемых объектов на местности.

8. Разработаны принципы выбора применения вида топлива для газоснабжения населенных пунктов, удаленных от магистральных газопроводов, основанные на технико-экономическом сравнении систем газоснабжения сетевым природным газом, биогазом и биометаном. Впервые выявлены зависимости критической протяженности газопровода-отвода от численности населения при разных плотностях распределения субстрата.

9. В результате теоретических исследований процесса сжигания биогаза на примере разработанной горелки, оснащенной стабилизатором (патент №137997), получены аналитические выражения для определения площади боковой поверхности и объема стабилизатора, и теплоты передаваемой через

стабилизатор. По результатам численных и экспериментальных исследований выявлены закономерности изменения температуры газовоздушной смеси при сжигании биогаза в горелке разработанной конструкции, позволившие уточнить КПД горелки и содержание продуктов сгорания в зависимости от состава биогаза.

Теоретическая значимость состоит в разработке и обосновании направления совершенствования систем газоснабжения населенных пунктов за счет эффективного применения биогаза и биометана. Создана методология разработки и проектирования высокоэффективных и экономичных систем выработки, распределения и потребления биогаза. Получены аналитические и регрессионные зависимости выхода биогаза в зависимости от технологических параметров процесса получения биогаза, что позволит установить влияние этих параметров на эффективность процесса образования биогаза. Выявлены закономерности изменения выхода биогаза и содержания метана от продолжительности ферментации из высокоэффективных субстратов, что позволит расширить виды используемых субстратов для выработки биогаза. Определены зависимости скорости движения пузырей биогаза и биомассы при барботажном перемешивании, коэффициента местных сопротивлений устройства барботажного перемешивания оригинальной конструкции, которые позволили определить принципы методологического подхода к расчету и проектированию систем выработки биогаза. Определены зависимости оптимального радиуса действия биометановых и биогазовых установок и протяженности газопровода подачи биометана от плотности населения и плотности субстратообразования для всех регионов РФ. Выявлены зависимости критической протяженности газопровода-отвода от численности населения при разных плотностях субстратообразования, которые позволили разработать принципы выбора вида топлива (природный газ, биогаз и биометан) для газоснабжения населенных пунктов, удаленных от магистральных газопроводов. Получены аналитические выражения для определения площади боковой поверхности и объема стабилизатора, а также теплоты передаваемой через стабилизатор. Выявлены

закономерности изменения температуры газовоздушной смеси при сжигании биогаза в горелке разработанной конструкции, позволившие уточнить КПД горелки и содержание оксида углерода.

Практическая значимость заключается в разработке новых технических решений, методик инженерного расчета и проектирования, алгоритмов и программ ЭВМ расчета систем выработки, распределения и потребления биогаза и биометана, направленных на повышение эффективности, надежности и безопасности работы. Разработаны рекомендации по применению биометана и биогаза для газоснабжения разных регионов Российской Федерации в зависимости от наличия исходной базы для получения биогаза и уровня газификации населенных мест. Методики инженерного расчета метантенка с барботажным перемешиванием и горелки для сжигания биогаза, а также методы проектирования систем снабжения биогаза и биометана, зависимости и номограммы для гидравлического расчета внедрены в учебный процесс БГТУ им. В.Г. Шухова при чтении лекционных и практических занятий, курсовом и дипломном проектировании; использованы в практике проектирования, строительства и реконструкции элементов и систем газоснабжения в следующих организациях: ООО «Энергоэффект», ООО «ФЕНИКС31», ООО «ВИД», ООО «ТК» Экотранс».

Методология и методы исследований. Разработка и исследование систем и устройств выработки биогаза базируются на использовании классических положений гидравлики, газодинамики, тепломассообмена и микробиологии, методы численного моделирования с помощью программных комплексов, математического моделирования и матричного планирования многофакторного эксперимента и статистической обработки результатов. При разработке и исследовании систем распределения биогаза и биометана применялись методы математического моделирования движения жидкости и газа, теория графов и параметрической оптимизации. При разработке систем потребления биогаза использовались теория горения и химической кинетики, методы численного

моделирования процесса горения и натурного эксперимента. Экспериментальные исследования выполнены на разработанных автором экспериментальных и опытно-промышленных установках с использованием современного и поверенного оборудования и приборов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические и регрессионные зависимости выхода биогаза в зависимости от основных технологических параметров процесса анаэробной ферментации, которые позволяют выявить влияние частоты перемешивания, температуры биомассы и продолжительности ферментации на образование биогаза в метантенке разработанной конструкции.

2. Значения продолжительности ферментации и выхода биогаза в условиях полного разложения органических веществ, позволяющее уточнить зависимость времени от состава субстрата, которое гарантирует полное разложение. Данные зависимости позволяют оценить теплотехнические свойства и химический состав получаемого биогаза, что дает возможность создания прогнозируемой модели выработки, транспортировки и потребления биогаза.

3. Аналитические и регрессионные зависимости для определения скорости движения пузырей биогаза и биомассы при барботажном перемешивании, длины и коэффициента местных сопротивлений устройства барботажного перемешивания оригинальной конструкции, которые позволили определить принципы методологического подхода к расчету и проектированию систем выработки биогаза.

4. Математические модели централизованных и децентрализованных систем снабжения биогаза и биометана, позволившие определить зависимости оптимального радиуса действия биометановой и биогазовой установок и протяженности газопровода для подачи биометана в газовую сеть.

5. Математическая модель оптимального расположения биометановой установки на территории муниципального округа, позволяющая определить координаты расположения биометановой установки и станции подачи биометана

в газовую сеть на местности муниципального округа.

6. Зависимости критической протяженности газопровода-отвода от численности населения при разных плотностях распределения субстрата, которые позволяют определить область рационального применения биометана и биогаза для газоснабжения населенных пунктов.

8. Аналитические выражения для определения площади боковой поверхности и объема конического стабилизатора, и теплоты передаваемой через стабилизатор, а также зависимости температуры пламени от состава биогаза и параметров стабилизатора.

9. Основы методологии расчета систем выработки, распределения и потребления биогаза на примере метантенка с барботажным перемешиванием и инжекционной горелки для сжигания биогаза.

Степень достоверности научных положений и выводов диссертационной работы подтверждается: использованием современных методов теоретических и экспериментальных исследований, высокоточного поверенного оборудования и приборов, адекватностью математических и численных моделей результатам экспериментальных данных; удовлетворительной сходимостью результатов расчетных и экспериментальных данных, не противоречащих данным других ученых, внедрением методов расчета и проектирования в реальную практику работы профильных предприятий.

Реализация результатов работы. Теоретические положения и практические результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях Белгородской области: ООО «Энергоэффект», ООО «ФЕНИКС31», ООО «ВИД», ООО «ТК» Экотранс» и используются в образовательном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова при подготовке бакалавров направления «Строительство» профиля «Теплогазоснабжение и вентиляция» и магистров направления «Строительство» направленности «Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий».

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы прошли апробацию на международных и всероссийских конференциях:

«Международная научно-техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова» (2014-2020), «Современный взгляд на проблемы технических наук» (Уфа, 2014), «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2014), «Проблемы ресурсо- и энергосберегающих технологий в промышленности и АПК» (Иваново, 2014), «Наукоемкие технологии и инновации» (Белгород, 2014, 2016, 2017, 2018), «Современные технологии в строительстве, теплогазоснабжении и энергообеспечении» (Саратов, 2015), «Исследования в строительстве, теплогазоснабжении и энергообеспечении» (Саратов, 2016), «Инновационные пути решения актуальных проблем базовых отраслей экологии, энерго- и ресурсосбережения» (Харьков, 2016), «International Conference on Energy Engineering and Environmental Protection» (Sanya, Китай, 2016), «Энергосбережение и энергоэффективность на промышленных предприятиях и в жилищно-коммунальном хозяйстве» (Новосибирск, 2017), «Актуальные проблемы современного строительства» (Санкт-Петербург, 2017), «Современные проблемы и перспективы развития строительства, теплогазоснабжения и энергообеспечения» (Саратов, 2019), «Энергетические системы» (Белгород, 2017, 2018, 2019, 2020), International Science and Technology Conference «EastConf» (Владивосток, 2020), Innovations and technologies in construction «BIT» (Белгород, 2020, 2021), «Энергетика в современном мире» (Чита, 2021).

Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы изложены в 91 научной публикации, из которых 16 опубликованы в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ, 15 - в изданиях, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus, 1 монографии. Получено 7 патентов РФ на полезную модель, 2 свидетельства регистрации программ для ЭВМ.

Личный вклад автора состоит в постановке проблемы, цели и задач диссертационных исследований, проведении литературного обзора, выборе объектов и методов исследований, разработке теоретических положений работы, планировании и проведении численных и натурных экспериментов, обработке

экспериментальных данных, анализе и обобщении полученных результатов, апробации, подготовке и публикации материалов работы.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Материал изложен на 347 страницах машинописного текста, в том числе 29 таблиц, 133 рисунка, 7 приложений, список литературы состоит из 328 наименований, из них 133 на иностранных языках.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК: 2.1.3 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение: п. 3 «Разработка и совершенствование систем теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, разработка методов энергосбережения систем и элементов теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения и освещения, охраны воздушного бассейна, защиты от шума зданий и сооружений, аспирации и пневмотранспорта, включая использование альтернативных, вторичных и возобновляемых источников энергии; развитие методов моделирования многофазных потоков и динамических процессов в аэродисперсных системах», п.4 «Разработка математических моделей, методов, алгоритмов и компьютерных программ, использование численных методов, с проверкой их адекватности, для расчета, конструирования и проектирования систем теплоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха, газоснабжения и освещения, охраны воздушного бассейна, защиты от шума зданий и сооружений, повышения их надежности и эффективности», п.6 «Теоретические и экспериментальные исследования теплофизических свойств рабочих тел теплотехнических устройств, повышение их надежности и эффективности. Разработка и исследование методов преобразования в работу низкопотенциальной теплоты, повышение ее потенциала в тепловых машинах, теплотехнические установки на их основе, методы расчета. Исследование процессов сжигания топлива и образования вредных веществ».

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОГАЗА

1.1. Современное состояние систем газоснабжения населенных пунктов

Российской Федерации

В Российской Федерации газ является основным видом топлива, а его доля в потреблении первичной энергии составляет 55,2%. В России сосредоточено более 34 % мировых запасов газа, по разведанным запасам природного газа РФ занимает первое место в мире [126]. В стране функционирует Единая система газоснабжения (ЕСГ), представляющая собой единый технологический комплекс, включающий системы и оборудование для добычи, переработки, хранения, транспортировки и распределения газа на территории России.

Газопроводная система состоит из трех составляющих: магистральных газопроводов, сетей газораспределения и сетей газопотребления.

Магистральные газопроводы предназначены для транспортировки больших объемов газа на значительные расстояния - от мест добычи к местам потребления. Общая протяженность магистральных газопроводов в стране составляет 176,8 тыс. км, при этом для перекачки газа используются 254 компрессорные станции. Газопроводы выполняют из стальных труб диаметром от 530 до 1420 мм, с толщиной стенки от 7 до 30 мм, рабочие давления от 5,5 до 10 МПа [56,57]. Трубопроводы выполняются из легированных сталей и прокладываются преимущественно подземным способом (98% от общего объема линейной части). Эксплуатируются в разнообразных природно-климатических условиях, пересекают на своем пути множество естественных (реки, озера, болота) и искусственных (автомобильные и железные дороги) преград, причем большая часть магистральных газопроводов проходит по многолетнемерзлым грунтам.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Суслов Денис Юрьевич, 2022 год

Я - х

(6.15)

у1я2 - (Я - х)2 '

Используя формулы (6.13-6.15) получим выражение для определения площади боковой поверхности стабилизатора, выполненного в форме вогнутого конуса:

Гст = 2л| Яст ЧЯст2 - (Яст - х)2

1

1+(-

Яст х О2 Сх. (6.16)

Ат2 - (Яст - х)2

Коэффициент теплоотдачи от боковой поверхности стабилизатора потоку газовоздушной смеси определяется по формуле:

а = Ш

Л

(6.17)

где Ыы - число Нуссельта; Л,гвс - коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси, Вт/(м-°С); Ьст - определяющий характерный размер стабилизатора, м.

а

0

0

Среднелогарифмическая разность температур стабилизатора и газовоздушной смеси определяется по формуле:

(г -гн )-(г -гк1)

д^ст _ У ст гвс/ У ст гвс/ ( ^

" (Г-Т! • (618)

1 у ст гвс/

1П (г - гк1)

у ст гвс )

где Сс - температура газовоздушной смеси у основания крышки горелки, °С.

Задавшись условием равенства количества тепла, отдаваемого нагретым стабилизатором потоку газовоздушной смеси и количества тепла, поглощённого потоком газовоздушной смеси (^ст = 0гвс) получим выражение:

(г - гн ) я -а

ст гвс / я а

=• (б.19)

(гст гвс ) гвс р

Прологарифмировав правую часть выражения и, выполнив соответствующие преобразования, получим уравнение для определения температуры потока газовоздушной смеси у основания крышки горелки после теплообмена газовоздушной смеси с боковой поверхностью стабилизатора:

гк1 = г -(г - гн V ехр

гвс ст У ст гвс у -Г

^ 77 Л

я -а

_ ст ст

а гвс

- с

у гвс р у

(6.20)

Теплота, передаваемая через крышку горелки, определяется выражением:

О = Я -а -Акр (6.21)

г>кр кр кр гвс V У

где Fкp - площадь внутренней кольцевой поверхности крышки, участвующей в теплообмене с потоком газовоздушной смеси, м2; акр - коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности крышки, кДж/(см2°С); Аггкрс - среднелогарифмическая разность температур между внутренней поверхностью крышки и потоком газовоздушной смеси, °С.

Коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности крышки потоку газовоздушной смеси определяется по формуле:

О, = Мы Л, (6.22)

кр

где Ыы - число Нуссельта; Лгвс - коэффициент теплопроводности газовоздушной смеси, Вт/(м-°С); £кр - определяющий характерный размер крышки горелки, м.

Внутренняя поверхность крышки имеет форму кольца, площадь которого определяется по формуле, м2:

Гкр = л(Якр - Яст) (6.23)

Среднелогарифмическая разность температур между внутренней

поверхностью крышки и газовоздушной смесью определяется по формуле:

(? -?к1)-(? -?отв)

д^кр _ У кр гас / у кр гвс ) ( л

А?гвс = (? - ?К1 ) , (6-24)

1п (кр гвс) (? - ?отв)

кр гвс

где С - температура на выходе из огневых отверстий горелки, °С.

Аналогично, задавшись условием равенства, количество тепла, отдаваемого нагретой крышкой потоку газовоздушной смеси и количества тепла, поглощённого потоком газовоздушной смеси (Окр = Огвс) получим выражение:

1п ¿эр^С] = ^^. (6 5)

(?кр гвс ) гвс р

После преобразований выражения (6.25), получим уравнение для определения конечной температуры потока газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий газовой горелки после теплообмена газовоздушной смеси с внутренней поверхностью крышки с коническим стабилизатором:

С = ?кр -(?кр - Сс )• еХР

17 ^

г •а

кр кр

а гвс

• с

гвс р у

(6.26)

Полученное выражение позволяет определить температуру потока газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий горелки, оснащенной коническим стабилизатором пламени.

В результате теоретических исследований процесса горения биогаза в горелке, оснащенной стабилизатором в форме вогнутого конуса, получены выражения для определения площади боковой поверхности и объема стабилизатора, теплоты, передаваемой стабилизатором к газовоздушной смеси и температуры газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий.

6.3. Моделирование процесса горения биогаза в инжекционной горелке

со стабилизатором пламени

Для исследования процесса сжигания биогаза различного состава в горелке разработанной конструкции проведем серию вычислительных экспериментов при разных конструктивных параметрах стабилизатора [152,153,305]. Программа вычислительного эксперимента предусматривает исследование процесса горения биогаза 3 составов: с содержанием метана 50%, 60% и 70%. Это объясняется тем, что в настоящее время действующие биогазовые установки в качестве исходного субстрата используют отходы сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий [196,201,217,239,241,261,283, 319]. Ранее установлено, что в биогазе, производимом из органических отходов птицеводческих и животноводческих комплексов и отходов мясоперерабатывающих предприятий содержание метана варьируется от 50 до 70% [306,307,310].

Основным параметром стабилизатора являются высота стабилизатора равная его радиусу основания. Для определения рациональных параметров стабилизатора были проведены исследования 4 видов конструкции горелки: без стабилизатора; со стабилизатором высотою 5 мм; со стабилизатором высотою 10 мм; со стабилизатором высотою 15 мм.

В качестве параметров, характеризующих эффективность процесса горения, были приняты: температура газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий и температура теплоприемника.

Для проведения вычислительного эксперимента использовался программный комплекс моделирования Ansys Fluent. Методы компьютерного моделирования получили широкое применение для исследования процесса горения газообразного топлива [197,234,266,272,309].

Исходными данными для моделирования процесса сжигания биогаза являются конструктивные параметры горелки, физические свойства биогаза и воздуха, а также граничные условия:

- температура (20 ° C) и компонентный состав биогаза;

- давление (101325 Па), температура (20 ° C), и состав атмосферного воздуха (02=0,233%; N2=0,767% по массе);

- статическое давление воздуха на выходе из горелки.

Для исследования горения биогаза была построена твердотельная геометрическая модель горелки разработанной конструкции (рисунок. 6.9).

Рисунок 6.9 - Модель инжекционной горелки со стабилизатором

Для построенной модели с помощью сеточного генератора Ansys Meshing произведена генерация нерегулярной, конформной тетраэдральной расчётной сетки конечных объёмов с качеством, позволяющим с достаточной для данной задачи точностью смоделировать процессы, протекающие при сжигании газообразного топлива.

Результаты моделирования процесса сжигания биогаза с содержанием метана 50% представлены на рисунках 6.10, 6.11.

в г

Рисунок 6.10 - Распределение температуры при сжигании биогаза с содержанием метана

50% в горелке: а - без стабилизатора; б - стабилизатором И = 5 мм; в - стабилизатором И =10

мм; г - стабилизатором И =15 мм

Рассмотрим распределение температуры пламени в области горения (рис. 6.10). В горелке без стабилизатора (рис. 6.10, а) наибольшие значения температуры пламени наблюдаются по периметру горелки. При этом, преобладают области пламени с температурой 679.943 °С, а также имеются небольшие участки с температурой 943.1340 °С. При размещении стабилизатора высотою И=5 мм (рис. 6.10, б) наблюдается рост температуры пламени, как по

периметру горелки, так и в центральной ее части. Так, в центре горелки наблюдается область пламени с температурой 679.943 °С, а по периметру увеличивается область температуры 943.1340 °С. Увеличение высоты стабилизатора до И=10 мм (рис. 6.10, в) позволяет повысить область температуры 943.1340 °С. При увеличении высоты стабилизатора до Ь=15 мм (рис. 6.10, г) наблюдается снижение температуры пламени по всей области горения.

в г

Рисунок 6.11 - Распределение температуры теплоприемника при сжигании биогаза с

содержанием метана 50% в горелке: a - без стабилизатора; б - стабилизатором И= 5 мм; в - стабилизатором И =10 мм; г - стабилизатором И =15 мм

Рассмотрим распределение температуры теплоприемника (рис. 6.11). В горелке без стабилизатора (рис. 6.11, а) наибольшие значения температуры наблюдаются по окружности теплоприемника. При этом, преобладают области с температурой 491.505 °С, а также имеются небольшие участки с температурой 505.518 °С. При размещении стабилизатора высотою И=5 мм (рис. 6.11, б) наблюдается рост температуры теплоприемника, как по периметру горелки, так и в центральной ее части. При этом, преобладают области с температурой

518.532 °С, а также имеются небольшие участки с температурой 532.545 °С. Увеличение высоты стабилизатора до h=10 мм (рис. 6.11, в) позволяет повысить как области температуры 518.532 °С, так и участки с температурой 532. 545 °С. При увеличении высоты стабилизатора до h=15 мм (рис. 6.11, г) наблюдается снижение температуры теплоприемника, при этом преобладают области с температурой 505.518 °С и 518.532 °С.

Для более детального анализа результатов исследований построим график зависимости средней температуры теплоприемника от высоты стабилизатора (рисунок 6.12).

520

0 5 10 15

Высота рассекателя, мм

Рисунок 6.12 - График зависимости температуры теплоприемника от высоты стабилизатора при

сжигании биогаза с содержанием метана 50%

Из графика видно (рис. 6.12), что средняя температура пламени в горелке без стабилизатора составляет 475°С. При размещении в корпусе горелки стабилизатора высотой 5 мм температура пламени повышается на 7%, до 508,3 °С, при увеличении высоты стабилизатора до 10 мм температура пламени повышается не значительно, до 510,5 °С. При дальнейшем увеличении высоты

стабилизатора до 15 мм температура пламени снижается на 1,5 % до 502,6 °С, что больше температуры пламени в горелке без стабилизатора на 5,8 %. Падение температуры пламени в горелке со стабилизатором 15 мм объясняется ростом гидравлического сопротивления из-за уменьшения проходного сечения в месте установки стабилизатора.

В результате аппроксимации графической зависимости (рисунок 6.12) получено выражение для определения температуры теплоприемника, °С:

¿ш50 = -0,4608^2 + 8,4687^ + 475,68 (6.27)

Данное выражение позволяет с высокой достоверностью (Я2=0,99) определить наиболее рациональное значение высоты стабилизатора пламени при сжигании биогаза с содержанием метана 50 %.

Результаты моделирования процесса сжигания биогаза с содержанием метана 60% представлены на рисунках 6.13, 6.14.

в г

Рисунок 6.13. Распределение температуры при сжигании биогаза с содержанием метана

60% в горелке: а - без стабилизатора; б - стабилизатором И = 5 мм;

в - стабилизатором И =10 мм; г - стабилизатором И =15 мм

В горелке без стабилизатора (рис. 6.13, а) наибольшие значения температуры пламени наблюдаются по периметру горелки. При этом, преобладают области пламени с температурой 748.1040 °С, а также имеются небольшие участки с температурой 1040.1478 °С. При размещении стабилизатора высотою И=5 мм (рис. 6.13, б) наблюдается рост температуры пламени, как по периметру горелки, так и в центральной ее части. При этом увеличивается область пламени с температурой 602 °С и выше, а область пламени с температурой 456. 602 °С уменьшается. Увеличение высоты стабилизатора до Ь=10 мм (рис. 6.13, в) позволяет еще повысить область температуры 1040.1478 °С. При дальнейшем увеличении высоты стабилизатора до Ь=15 мм (рис. 6.13, г) наблюдается снижение температуры пламени по всей области горения.

в г

Рисунок 6.14. Распределение температуры теплоприемника при сжигании биогаза с

содержанием метана 60% в горелке: а - без стабилизатора; б - стабилизатором И = 5 мм;

в - стабилизатором И =10 мм; г - стабилизатором И =15 мм

Рассмотрим распределение температуры теплоприемника (рис. 6.14). В горелке без стабилизатора (рис. 6.14, а) наибольшие значения температуры

наблюдаются по окружности теплоприемника. При этом, преобладают области с температурой 493.506 °С и 506.519 °С. При размещении стабилизатора высотою И=5 мм (рис. 6.14, б) наблюдается рост температуры теплоприемника, как по периметру горелки, так и в центральной ее части. При этом, преобладают области с температурой 519.532 °С и 532.545 °С. Увеличение высоты стабилизатора до Ь=10 мм (рис. 6.14, в) позволяет повысить как области температуры 519.532 °С, так и участки с температурой 532.545 °С. При увеличении высоты стабилизатора до Ь=15 мм (рис. 6.14, г) наблюдается снижение температуры теплоприемника, при этом преобладают области с температурой 506.519 °С и 519.532 °С.

На рисунке 6.15 представлен график зависимости средней температуры теплоприемника от высоты стабилизатора при сжигании биогаза с содержанием метана 60%.

520

470

0 5 10 15

Высота рассекателя, мм

Рисунок 6.15 - График зависимости температуры теплоприемника от высоты стабилизатора при

сжигании биогаза с содержанием метана 60%

Из графика видно (рис. 6.15), что средняя температура пламени в горелке без стабилизатора составляет 482°С. При размещении в корпусе горелки стабилизатора высотой 5 мм температура пламени повышается на 6%, до

511,3 °С, при увеличении высоты стабилизатора до 10 мм температура пламени повышается еще на 0,9%, до 515,5 °С. При дальнейшем увеличении высоты стабилизатора до 15 мм температура пламени снижается на 2,4 % до 503,3 °С, что больше температуры пламени в горелке без стабилизатора на 4,4 %. Падение температуры пламени в горелке со стабилизатором 15 мм объясняется ростом гидравлического сопротивления из-за уменьшения проходного сечения в месте установки стабилизатора.

В результате аппроксимации графической зависимости (рисунок 6.15) получено выражение для определения температуры теплоприемника, °С:

¿ш60 = -0,4151Л2 + 7,5924^ + 482,39 (6.28)

Данное выражение позволяет с высокой достоверностью (^=0,99) определить наиболее рациональное значение высоты стабилизатора пламени при сжигании биогаза с содержанием метана 60 %.

Результаты моделирования процесса сжигания биогаза с содержанием метана 70% представлены на рисунках 6.16, 6.17.

в г

Рисунок 6.16. Распределение температуры при сжигании биогаза с содержанием метана

70% в горелке: а - без стабилизатора; б - стабилизатором И = 5 мм;

в - стабилизатором И =10 мм; г - стабилизатором И =15 мм

В горелке без стабилизатора (рис. 6.16, а) наибольшие значения температуры пламени наблюдаются по периметру горелки. При этом, преобладают области пламени с температурой 810.1127 °С, а также имеются небольшие участки с температурой 1127.1603 °С. При размещении стабилизатора высотою И=5 мм (рис. 6.16, б) наблюдается рост температуры пламени, как по периметру горелки, так и в центральной ее части. При этом увеличивается область пламени с температурой 810 °С и выше, а область пламени с температурой 335.652 °С уменьшается. Увеличение высоты стабилизатора до Ь=10 мм (рис. 6.16, в) позволяет еще повысить область температуры 1127.1603 °С. При дальнейшем увеличении высоты стабилизатора до Ь=15 мм (рис. 6.16, г) наблюдается снижение температуры пламени по всей области горения.

в г

Рисунок 6.17. Распределение температуры при сжигании биогаза с содержанием метана

70% в горелке: а - без стабилизатора; б - стабилизатором И = 5 мм;

в - стабилизатором И =10 мм; г - стабилизатором И =15 мм

Рассмотрим распределение температуры теплоприемника (рис. 6.17). В горелке без стабилизатора (рис. 6.17, а) наибольшие значения температуры

наблюдаются по окружности теплоприемника. При этом, преобладают области с температурой 494.508 °С и 508.522 °С. При размещении стабилизатора высотою И=5 мм (рис. 6.17, б) наблюдается рост температуры теплоприемника, как по периметру горелки, так и в центральной ее части. При этом, преобладают области с температурой 522.536 °С и 536.550 °С. Увеличение высоты стабилизатора до Ь=10 мм (рис. 6.17, в) позволяет повысить как области температуры 522.536 °С, так и участки с температурой 536.550 °С. При увеличении высоты стабилизатора до Ь=15 мм (рис. 6.17, г) наблюдается снижение температуры теплоприемника, при этом преобладают области с температурой 508. 522 °С и 522. 536 °С.

На рисунке 6.18 представлен график зависимости средней температуры теплоприемника от высоты стабилизатора при сжигании биогаза с содержанием метана 70%.

525 520 515 и 510 °Т 505 ^Т 500 | 495 | 490 н 485 480 475 470

0 5 10 15

Высота рассекателя, мм

Рисунок 6.18 - График зависимости температуры пламени от длины стабилизатора при сжигании биогаза с содержанием метана 70%

Из графика видно (рис. 6.18), что средняя температура пламени в горелке без стабилизатора составляет 483,6°С. При размещении в корпусе горелки стабилизатора высотой 5 мм температура пламени повышается на 6,43%, до

514,7 °С, при увеличении высоты стабилизатора до 10 мм температура пламени повышается еще на 0,9%, до 518,8 °С. При дальнейшем увеличении высоты стабилизатора до 15 мм температура пламени снижается на 2,62 % до 505,2 °С, что больше температуры пламени в горелке без стабилизатора на 4,5 %. Падение температуры пламени в горелке со стабилизатором 15 мм объясняется ростом гидравлического сопротивления из-за уменьшения проходного сечения в месте установки стабилизатора.

В результате аппроксимации графической зависимости (рисунок 6.18) получено выражение для определения температуры теплоприемника, °С:

¿ш70 = -0,4473^2 + 8,0805^ + 484,1 (6.29)

Данное выражение позволяет с высокой достоверностью (^=0,99) определить наиболее рациональное значение высоты стабилизатора пламени при сжигании биогаза с содержанием метана 70 %.

Результаты моделирования процесса сжигания биогаза различного состава представлены на рисунке 6.19.

Высота рассекателя, мм

Рисунок 6.19 - Распределение температуры пламени биогаза различного состава в горелках со

стабилизатором пламени

Из рисунка 6.19 видно, что с повышением содержания метана в биогазе температура пламени увеличивается. Так, средняя температура пламени при сжигании биогаза в горелке со стабилизатором высотой 10 мм, с содержанием 50 % составляет 510,46 °С, при увеличении содержания метана до 60% температура повышается до 515,48 °С, т.е. на 0,98%, при увеличении содержания метана до 70% температура повышается до 518,76 °С, или еще на 0,65%.

Можно сделать вывод, что оптимальным решением повышения эффективности и стабильности процесса сжигания биогаза с содержанием метана 50.70% является установка в корпусе горелки стабилизатора высотой 10 мм. Это позволяет повысить тепловую мощность горелки при минимальных металлозатратах на изготовление горелки.

6.4. Экспериментальные исследования сжигания биогаза в горелке

со стабилизатором пламени

Программой экспериментальных исследований предусматривается определение влияния параметров стабилизатора на эффективность процесса горения биогаза в инжекционных горелках низкого давления, что позволит установить наиболее рациональные значения исследуемых параметров.

Задачей исследований является определение энергетической эффективности горелки и содержания оксида углерода в продуктах сгорания.

Для исследования процесса сжигания биогаза в газовой горелке с коническим стабилизатором была разработана экспериментальная установка, принципиальная схема которой представлена на рисунке 6.20.

Экспериментальная установка размещена на территории ООО «ТК «Экотранс», г. Белгород. Для исследований использовался биогаз, отбираемый из существующей линии по сбору и утилизации биогаза полигона твердых коммунальных отходов.

Рисунок 6.20 - Схема экспериментальной установки по сжиганию биогаза: 1 - газовый коллектор; 2 - шланг подвода свалочного газа; 3 - регулятор давления газа РДГК-10; 4 - кран шаровый; 5 - счётчик газовый; 6 - газовый манометр;

7 - газоанализатор; 8 - газовая горелка; 9 - испытательный сосуд; 10 - термометр; 11 - зонд отбора продуктов сгорания; 12 - газоанализатор дымовых газов

Принцип работы установки следующий. Из газового коллектора 1 по гибкому шлангу 2 биогаз поступает в регулятор давления газа 3, в котором давление газа снижается до требуемого значения, равного номинальному давлению газа перед горелкой - 1,3 кПа. Затем из регулятора давления биогаз поступает в счетчик 5, в котором определяется объем проходящего газа. Далее биогаз подается в газогорелочное устройство 8, в котором осуществляется его сжигание. При этом манометром 6 контролируется давление биогаза, а газоанализатором 7 определяется компонентный состав биогаза (содержание СН4 и СО2). На решетке горелки 8 установлен сосуд с водой 9, температура воды в сосуде определяется термометром 10. Отбор продуктов сгорания производится зонтом 11, к которому присоединен газоанализатор дымовых газов 12, определяющий состав продуктов сгорания и содержание оксида углерода (СО).

Для снижения и автоматического поддержания требуемого давления биогаза перед горелкой используется регулятор давления комбинированного типа РДГК-10, технические характеристики которого представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Технические характеристики регулятора давления комбинированного РДГК-10

Диапазон Диапазон Диапазон настройки Пропускная Неравно- Ду Присоеди-

входного настройки отключающего способность мерность присоедини- нительная

давления, выходного устройства, кПа: при макси- регули- тельных резьба,

Параметр МПа давления, мальном рования, патрубков: дюйм

кПа при при входном %, не входа выход

повышении понижении давлении, м3/ч более а

выходного выходного

давления давления

Значение 0,05-0,6 1,5-2,0 3,5-5 0,3-1,0 15,5 ±10 10 20 G3/4-B

Методики измерений, приборы и оценка достоверности полученных

результатов

Основными параметрами, характеризующими эффективность процесса горения газообразного топлива, являются: коэффициент полезного действия прибора или горелки и содержание оксида углерода (СО) в продуктах сгорания.

Исследование эффективности процесса горения биогаза в горелке разработанной конструкции производилось по методике, представленной в ГОСТ 33998-2016 ^ 30-1-1+Л3:2013, EN 30-2-1:2015) Приборы газовые бытовые для приготовления пищи. Общие технические требования, методы испытаний и рациональное использование энергии [28,29]

Коэффициент полезного действия горелки стола бытовой газовой плиты определяют в следующей последовательности. На горелку устанавливают сосуд внутренним диаметром 220 мм, наполненный водой массой 3,7 кг, который нагревают в течение 10 мин при номинальной тепловой мощности горелки. Затем сосуд снимают и на его место устанавливают соответствующий номинальной тепловой мощности горелки испытательный сосуд в соответствии с таблицей 6.2. Для испытаний следует применять алюминиевые сосуды с матовым дном и полированными стенками без ручек, соответствующие требованиям ГОСТ. При испытании сосуды должны быть закрыты крышками. Температура воды должна быть (20±1) °С. Измерение потребления газа начинают с момента установки сосуда, предназначенного для определения коэффициента полезного действия.

Наружная поверхность испытательного сосуда должна быть сухой, наличие накипи в сосуде не допускается. Сосуд закрывают крышкой, в которой закреплен термодатчик, чувствительный элемент которого находится в геометрическом центре объема воды. Температуру воды доводят до (90±1)°С. После этого подачу газа к горелке прекращают и фиксируют конечную (наибольшую) температуру воды. Погрешность измерения температуры воды должна быть ±0,1 °С.

Таблица 6.2 - Диаметр сосуда и масса воды в испытательном сосуде, соответствующие номинальной тепловой мощности горелки

Номинальная тепловая мощность, кВт Внутренний диаметр испытательного сосуда, мм Масса воды в испытательном сосуде т1, кг

От 1,16 до 1,64 включительно 220 3,7

От 1,65 до 1,98 включительно 240 4,8

От 1,99 до 2,36 включительно 260 6,1

От 2,37 до 4,2 включительно 260 6,1

Свыше 4,2 300 9,4

Коэффициент полезного действия горелки п, %, определяется по формуле:

1 = 4,186 -10"3 т—^—100%; (6 30)

где т - масса испытательного сосуда с водой, заполненного в соответствии с таблицей 6.1, кг; ^ - начальная температуры воды в испытательном сосуде, °С; 12

3

- конечная температуры воды в испытательном сосуде, °С; 4,186^ 10- - удельная

теплоемкость воды, МДж/кг °С; ¥с (Мс) - объемный (массовый) расход газа за

3

время испытаний при стандартных условиях, м ; Мс - массовый расход газа за

з

время испытаний при стандартных условиях, м /ч (кг/ч); - высшая теплота

з

сгорания газа, МДж/м (МДж/кг).

Масса испытательного сосуда с водой, т, кг, определяется по формуле:

т = т + 0,213т (6.31)

где т1 - масса воды в испытательном сосуде, кг; т2 - масса испытательного сосуда с крышкой, кг.

3

Расход газа за время испытаний при стандартных условиях Ус, м ,

определяется по формуле:

Ра + Р - Рпар 288,15

V = —^--г--(6.32)

с изм 101,325 273,15 + гт V 7

-5

где Кизм - измеренный объемный расход газа за время испытаний, м ; ра -атмосферное давление воздуха, кПа; р - избыточное давление газа перед прибором, кПа; рпар - парциальное давление насыщенного водяного пара при температуре кПа; ^ - температура газа в месте измерения, °С.

Парциальное давление зависит от температуры газа и определяется по формуле:

Рпар =103 • ехр

'21,094 5262

3

• ехр

V 2'3,-15 . -г у

273,15 + *

(6.33)

Содержание оксида углерода в продуктах сгорания определяется путем отбора проб продуктов сгорания.

Отбор проб продуктов сгорания проводится над горелкой с установленным на решетке испытательным сосудом с водой. При установке сосудов диаметром 220 мм используется устройство для отбора проб продуктов сгорания, представленное на рисунке 6.21. Продукты сгорания от горелок стола должны попадать в устройство отбора проб, размещенное на высоте от 20 до 80 мм над решеткой (поверхностью) стола. Конкретную высоту установки устройства выбирают так, чтобы не нарушить режим горения.

При проведении экспериментальных исследований непосредственному измерению подлежали следующие параметры: состав и объёмный расход биогаза, давление биогаза перед горелкой, температура воды, масса измерительного сосуда с водой, температура газовоздушной смеси, состав продуктов сгорания, время проведения опыта, барометрическое давление, температура окружающей среды.

Рисунок 6.21 - Устройство для отбора проб продуктов сгорания для испытательного сосуда

диаметром более 220 мм: 1 - медная труба размером 8х1 мм для отвода продуктов сгорания к газоанализатору; 2 - заслонка; 3 - стальная труба размером 22х1 мм

Для определения содержания метана и диоксида углерода в составе биогаза используется газоанализатор Фармэк ФП-34.

Для определения состава продуктов сгорания используется анализатор дымовых газов «Testo 320 LX». Технические характеристики анализатора представлены в таблице 6.3.

Параметр измерения Диапазон измерений Разрешение Погрешность Время отклика

О2 0-21 об. % 0,1 об. % ±0,2 об. % < 20 с

СО 0...0,4 ppm 1 ррт ±10 ppm или ±10% (от 0 до 200 ppm) ±20 ppm или ±5% (от 201 до 2000 ppm) ±10 % (от 2001 до 8000 ppm) < 40 с

Температура -40... +1200°С 0,1°С (от -40 до 999,9°С) 1°С (от 1000°С) ±0,5°С (0...100°С) ±0,5% (остальная часть диапазона) < 20 с

Объём потребляемого газа измеряли электронным газовым счётчиком типа Гранд-1,6, технические характеристики которого представлены в таблице 6.4. Таблица 6.4 - Технические характеристики электронного газового счётчика

№ Параметры Значения

1 Минимальный расход, Qmin, м /ч 0,04

2 Максимальный расход, Qmax, м /ч 1,6

3 Пределы допускаемой относительной погрешности при измерении объема газа, % в диапазоне расходов:

от Qmin до 0,2 Qmax ±2,5

от 0,2 Qmax до Qmax ±1,5

4 Температура окружающего воздуха, °С - 10 ... +50

5 Относительная влажность, %, 30...80

6 Атмосферное давление, кПа 84,0 ... 106,7

7 Избыточное давление измеряемой среды, кПа, не более 5

Барометрическое давление измерялось барометром-анероидом типа БААМ, ГОСТ 6466-53. Погрешность прибора ± 64,6 Па.

Время проведения опытов измерялось секундомером С-11-16 ГОСТ 5072-67 II класса с погрешностью ±0,1 с.

Взвешивание испытательного сосуда проводилось на весах модели МАССА ТВ-Б-200.2-Т2, допускаемая погрешность ± 20 г.

Температура окружающей среды определялась стандартным термометром ТЛ-18 с погрешностью ± 0,5°С.

Температура воды в испытательном сосуде определялась цифровым мультиметром ЭТ-878 с термометрическим датчиком, технические

Таблица 6.5 - Технические характеристики термометрического датчика

Тип Обозначение Материал положительного электрода Материал отрицательного электрода Диапазон измерений, °С Пределы отклонений, °С

К ТХА Хромель, Сг-№ (90,5% N1) Алюмель, №-А1 (94,5 % N1) -50...+150 ±1,5

Для определения достоверности проведенных экспериментальных исследований определим погрешность проведенных измерений [76].

Наиболее важными определяемыми параметрами являются коэффициент полезного действия горелки и содержание оксида углерода.

Содержание оксида углерода определяли прямым способом, поэтому погрешность измерений равна погрешности прибора - 0,001 %.

Коэффициент полезного действия горелки определяли косвенно с помощью формулы (6.34).

Для определения погрешности коэффициента полезного действия горелки прологарифмируем выражение (6.30):

1п 1 = 1п т + 1п г + 1п V.

Затем вычислим частные производные:

д 1п 1 _ 1 Э 1п 1 _ 1 д 1п 1 _ 1

дт т дг г' дУс V

Тогда формула для определения косвенных вычислений примет вид:

Лт1 = 1

'Лт^2

+

V т

+

V г у

ЛУ„

V Vс у

(6.34)

(6.35)

(6.36)

Относительная погрешность определяется по формуле:

Л11

£ =

1

(6.37)

С помощью формулы (6.36) определим Д^:

2

Л1 = 0,57

20

+

'1,5^ '

^6313у V70у Относительная погрешность составит:

Л1 0,015018

+

0,00051 0,034

0,015018.

£ =

= 0,026 или 2,6%.

1 0,57

Таким образом, анализ погрешностей измеряемых величин позволяет сделать вывод о том, что основные параметры в наших исследованиях определялись с точностью, достаточной для количественного описания процесса сжигания биогаза в горелке с коническим стабилизатором.

Проведение и результаты экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования включают серию из 4 опытов с разными значениями высоты стабилизатора к, мм: к = 0 мм (без стабилизатора); к = 5 мм; к = 10 мм; к = 15 мм.

Для сжигания использовался биогаз следующего состава (рисунок 6.22): СН4 = 60,4%, СО2 = 39,2%, О2 = 0,4%.

пор.2 11:51

Б0.4

02 : вв.Л у. П1

С02 : > 2,58 /2 нгэ : 008 ПГ

Рисунок 6.22 - Состав биогаза (показания Фармэк ФП 34) Количество повторных опытов для каждого значения высоты стабилизатора составило 3.

2

Результаты экспериментальных исследований процесса сжигания биогаза в горелке со стабилизатором представлены на рисунках 6.23., 6.24.

Рисунок 6.23 - График зависимости КПД от высоты стабилизатора

На рисунке 6.23 представлен график зависимости КПД от высоты стабилизатора. При сжигании биогаза в горелке без стабилизатора КПД составил 51,67 %. При установке стабилизатора высотой 5 мм наблюдается повышение КПД до 55,29 %. При увеличении высоты стабилизатора до 10 мм КПД повышается незначительно и составляет 55,74 %. При дальнейшем увеличении высоты стабилизатора происходит снижение КПД (54,65 %). Таким образом, наиболее рациональным значением высоты стабилизатора является значение 10 мм.

В результате аппроксимации графической зависимости (рисунок 6.23) получено выражение для определения КПД горелки, %:

П = -0,047^2 + 0,8% + 51,75 (6.38)

Данное выражение позволяет с высокой достоверностью (^=0,99) определить наиболее рациональное значение высоты стабилизатора пламени.

На рисунке 6. 24 представлен график зависимости содержания оксида углерода (СО) от высоты стабилизатора. При сжигании биогаза в горелке без стабилизатора содержание СО составляет 337,67 мг/м . При установке стабилизатора высотой 5 мм наблюдается снижение содержания СО до 282,48 мг/м3. При увеличении высоты стабилизатора до 10 мм содержание СО снижается незначительно и составляет 264,64 мг/м3. При дальнейшем увеличении

-5

высоты стабилизатора происходит повышение содержания СО до 289,19 мг/м . 370

360 350

340

330

ГШ

-I 320 О 310 300 290 280 270 260

Максимальное значение по ГОСТ Р 50696-94

337=67

289:

282 =48

19

10

Высота, стабилизатора. мы

15

Рисунок 6.24 - График зависимости содержания СО от высоты стабилизатора

В результате аппроксимации графической зависимости (рисунок 6.24) получено выражение для определения содержания СО от высоты стабилизатора,

мг/м3:

СО = 0,797к - 15,227к + 337,92

(6.38)

Данное выражение позволяет с высокой достоверностью (Я2=1) определить наиболее рациональное значение высоты стабилизатора пламени в зависимости от значения СО.

Таким образом, наиболее рациональным значением высоты стабилизатора,

соответствующим минимальному значению содержания оксида углерода и

максимальному значению КПД, является высота стабилизатора 10 мм.

Поведем сравнение результатов теоретических и экспериментальных

исследований. Построим график зависимости температуры теплоприемника,

полученный в результате численного моделирования и зависимости КПД,

полученной в результате проведения натурного эксперимента, от высоты

стабилизатора (рисунок 6.25).

56,50 56,00 55,50 55,00 54,50

^ 54,00 « '

и 53,50

53,00 52,50 52,00 51,50 51,00

^^--

>

кпд

^^Температура

520

515

510 О

■ о

505 ^

С ев

500 р ут

та

495 р п

м е

490 еТ

485

480

5 10

Высота стабилизатора И, мм

15

Рисунок 6.25 - График зависимости КПД и температуры теплоприемника

от высоты стабилизатора Из графика видно (рисунок 6.25), что характер графических зависимостей КПД от высоты стабилизатора соответствует зависимостям средней температуры теплоприемника, полученным в результате численного моделирования.

Можно сделать вывод, что экспериментальные исследования хорошо согласуются с результатами теоретических исследований и компьютерного моделирования.

0

1. Изучены основные этапы процесса горения биогазового топлива. Основными характеристиками процесса горения являются температура горения, скорость распространения пламени, гидравлический режим горения и способ смешения газа с воздухом. Необходимо отметить, что повышенное содержание углекислого газа снижает температуру горения и скорость распространения пламени.

2. Разработана математическая модель процесса сжигания биогаза в горелке, оснащенной стабилизатором в форме вогнутого конуса. Получены выражения для определения площади боковой поверхности и объема стабилизатора, теплоты, передаваемой через стабилизатор и температуры газовоздушной смеси на выходе из огневых отверстий.

3. Выполнено численное моделирование процесса горения биогаза, в результате которого получены:

- визуальная картина распределения температуры газовоздушной смеси в корпусе горелки со стабилизатором пламени при сжигании биогаза различного состава;

- визуальная картина распределения температуры на поверхности теплоприемника при сжигании биогаза различного состава в горелке со стабилизатором пламени;

- графические и аналитические зависимости температуры теплоприемника от состава биогаза и параметров стабилизатора.

4. Проведены экспериментальные исследования процесса горения биогаза, в результате которых получены зависимости КПД горелки и содержания оксида углерода от параметров конического стабилизатора. Результаты экспериментальных исследований хорошо согласуются с полученными теоретическими данными. Установлены рациональные параметры стабилизатора для сжигания биогаза различного состава.

7. ВНЕДРЕНИЕ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

7.1. Методика инженерного расчета конструктивно-технологических

параметров метантенка

На основе комплекса теоретических и экспериментальных исследований процесса получения биогаза при барботажном перемешивании биомассы разработана методика расчета метантенка. Алгоритм методики расчета метантенка представлен на рисунке 7.1.

В качестве исходных данных заданы объем и свойства исходного для переработки субстрата, необходимо определить конструктивные размеры метантенка, систем обогрева и барботажного перемешивания с целью получения максимального выхода биогаза.

Исходными данными при этом являются:

-5

- варьируемые факторы: суточный выход навоза с фермы, Уис, м ; влажность биомассы в метантенке Ж, %; температура биомассы в метантенке Т, ° С; гидравлическое время удержания т, сут;

- постоянные факторы: влажность навоза поступающего с фермы Жис, %;